基于介电特性的异位发酵床垫料含水率的检测与建模

韩志恒, 陶志影, 曾育宁, 叶鼎承, 何金成

(1.福建农林大学机电工程学院,福建 福州 350002;2.福建省农业科学院畜牧兽医研究所,福建 福州 350013)

1 材料与方法

1.1 供试材料

本试验选用新鲜干稻壳(湿基含水率为8.24%)和锯末(湿基含水率为11.23%)作为试验材料[15,16]，利用孔径为1 mm的方孔筛(绍兴市上虞华丰五金仪器有限公司提供)过筛，筛去碎壳、灰分、细小秸秆等其他杂物.锯末首先经孔径为0.5 mm的方孔筛过筛，筛去微小木屑，再经孔径为1.43 mm的方孔筛筛去树皮等其他杂物.本研究中谷壳∶锯末(干重)=2∶3.

1.2 方法

1.2.1 样品制备 将过筛后的谷壳和锯末烘干，再分别装入密封袋中保存，放在实验室阴凉干燥处.按照垫料配比，分别从密封袋中取出谷壳和锯末共80 g，放入电子天平(WXL-C30002，0.01 g，深圳市无限量衡器有限公司提供)上的塑料盆中，用高压超细雾喷壶向样品喷洒水，边喷洒边搅拌；将配制好的样品装入密封袋中，排空空气后再套一层密封袋封存，在阴凉干燥处放置2 d，以保证样品水分均匀扩散.

1.2.2 含水率测定 样品的实际湿基含水率采用烘干法测定.垫料样品和锯末含水率参考文献[17]测定；谷壳含水率参考文献[18]测定.

1.微分头;2.玻璃纤维板;3.铝型材;4.联轴器;5.上极板;6.圆柱壁;7.下极板引出电极.图1 平行板电容器Fig.1 Parallel plate capacitor

(1)

(2)

式中，ω=2πf，f为测试信号频率.

1.2.4 温度测定 样品的温度主要通过探针式数显温度计(TP600型，杭州美佳杭新仪表有限公司提供)测定.将温度计插入样品内部来获取温度，样品温度达到预测温度时，再对样品的介电常数进行测量.

1.2.5 体积密度测定 由样品质量除以由平行板电容器构成的圆柱体的体积来计算.样品的体积密度分为3个水平，即低等紧实度、中等紧实度和高等紧实度.将样品以自由落体的方式填满，分别由不加干预、振动和加压方式来获得不同水平下的体积密度.

1.2.6 电导率测定 将配制好含水率的样品放进无盖铝盒中，置于实验室外通风处进行风干.称取风干垫料20 g，放在250 mL三角瓶中，水土比为1∶5，加纯净水100 mL，振荡5 min，经滤纸过滤于干燥烧杯中；吸取垫料浸出液，放在25 mL烧杯中；将土壤EC传感器(HSTL-DDL，北京华控兴业科技发展有限公司提供，测量精度±2%)电极放入被测浸出液中，测定EC值.

2 结果与分析

2.1 垫料电导率对垫料样品介电特性的影响

考虑到电导率会对物料的介电特性产生影响，对不同含水率下风干垫料的电导率进行测定，结果如图2所示.

图2 不同含水率下垫料的电导率Fig.2 Electrical conductivity of padding at different moisture contents

从图2可以看出，各个含水率下垫料的电导率值相差无几，且无明显的增减趋势.其中40.77%含水率下的垫料电导率最大，为2.200 0；68.61%含水率下的电导率最小，为2.062 5.样品整体的电导率均值为2.125 0，标准差为0.127 5.因此，电导率对垫料样品介电特性的影响可以忽略不计.

2.2 频率对垫料介电常数的影响

在室温24.6 ℃、垫料体积密度为中等紧实度的条件下，在测试信号频率0.1～100.0 kHz选取了28个频率点，探究频率对不同含水率下垫料的介电常数的影响，结果如下图3所示.32.16%～68.61%含水率下对应样品的体积密度分别为154.181 4、175.457 3、213.919 7、266.750 3、322.454 6 kg·m-3.

图3 频率对不同含水率垫料相对介电常数和介质损耗因数的影响Fig.3 Effect of frequency on the relative dielectric constant and loss factor of padding at different moisture contents

2.3 温度对垫料介电常数的影响

图4 温度对不同含水率下垫料相对介电常数(a)和介质损耗因数(b)的影响Fig.4 Effect of temperature on the relative dielectric constant(a) and loss factor of padding(b) at different moisture contents

2.4 含水率对垫料介电常数的影响

在所选频率50 kHz、垫料样品体积密度为中等紧实度的条件下，研究了含水率(32.16%～68.61%)对25～65 ℃下垫料样品的相对介电常数和介质损耗因数的影响，结果如图5所示.32.16%～68.61%含水率对应样品的体积密度分别为139.724 8、152.904 8、186.229 3、246.955 4、316.502 8 kg·m-3.

图5 含水率对不同温度下垫料相对介电常数(a)和介质损耗因数(b)的影响Fig.5 Effect of moisture content on the relative dielectric constant(a) and loss factor of padding(b) under different temperatures

2.5 体积密度对垫料介电常数的影响

图6 体积密度对不同温度下垫料相对介电常数(a)和介质损耗因数(b)的影响Fig.6 Effect of bulk density on the relative dielectric constant(a) and loss factor of padding(b) under different temperatures

表1 不同含水率下垫料样品的体积密度Table 1 Effect of moisture content on the relative dielectric constant and loss factor of padding under different temperatures

2.6 垫料介电常数模型的建立与验证

表2 所选频率下垫料介电常数与其影响因素之间关系模型的决定系数Table 2 Determination coefficients of relationship models between dielectric constants of padding and its influencing factors within selected frequency range

其数学表达式为：

(3)

对式(3)进行方差分析，结果如表3所示.

表3 回归模型方差分析表1)Table 3 ANOVA of regression models

从表3可以看出，模型的P值小于0.01，表明模型极显著.其中，W、T、WT、WT2、W3、T3、W3T、WT3、W4各项均对模型有着极显著或显著的影响.

图7 含水率的实测值与计算值的相关性Fig.7 Relationship between measured values and calculated values of padding moisture contents

从图7可以看出，垫料样品含水率的计算值与实测值之间的决定系数R2为0.993 2，说明建立的数学模型(式(3))可以很好地描述垫料含水率与相对介电常数和温度之间的关系.含水率的预测值与实测值之间的绝对误差在±2.33%内，说明垫料的含水率可以由建立的数学模型来计算得到.

3 小结

在测试信号频率为0.1～100.0 kHz、含水率为32.16%～68.61%、温度为25～65 ℃、体积密度为101.958 6～459.394 1 kg·m-3条件下，垫料的相对介电常数和介质损耗因数会随含水率和温度的增大而增大，但随频率的增大而减小.在含水率≤40.77%时，体积密度对垫料的相对介电常数和介质损耗因数的影响并不显著；但随着含水率的增大，体积密度对二者的影响显著.

在1、10、50和100 kHz频率下建立的垫料介电常数与含水率、温度和体积密度的3因素模型及与含水率和温度的2因素模型的决定系数皆大于0.98，说明可以通过测定垫料的温度、含水率和体积密度来准确预测出垫料的含水率.对建立的2因素模型进行验证，根据模型计算出来的含水率值与实测含水率值之间的决定系数为0.993 2，说明二者之间具有很好的线性相关性，所建立的模型可以很好地描述垫料的介电常数与其主要影响因素之间的关系.说明利用垫料的介电特性来预测含水率是可行的.